[发明专利]一种基于FPGA的图像处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像处理系统，具体地涉及一种基于FPGA芯片作为图像处理器的图像处理系统。

背景技术

目前几种图像处理的硬件实现方法：(1)专用标准电路(2)专用集成电路(3)数字信号处理器(4)现场可编程门阵列。

(1)专用标准电路(ASSP)

专用标准电路(ASSP)是通用的标准器件，当图像处理算法和标准有所改变或有新的算法和标准提出时，ASSP则显得升级困难，难以快速地适应技术的发展。同时，ASSP不允许产品的定制化，这样使得开发者需要额外的硬件来定制自己的产品以体现产品的差异性，增加了成本，降低了性能。另外，采用ASSP后开发者无法拥有产品的全部知识产权。

(2)专用集成电路(ASIC)

专用集成电路是为某一具体应用而专门设计的IC。与购买的现货供应的成品IC不同，ASIC能够按照设计要求进行设计和制造。它将根据用户的要求或者产品的需求，将一些常用的信号处理算法(如FFT、卷积相关等)嵌入到芯片内部，实现特定的功能。ASIC的产生是相对于通用数字集成电路来说的。随着电路的规模变大，搭建的系统就很难针对用户的特殊要求而改变。而ASIC的出现则是解决这一问题，它为了满足现今部分电子通信产品的特殊性和速度性。当一些图像处理算法难以采用通用处理器和DSP满足其速度要求时，则必须采用专用集成电路来实现。由此可见ASIC是众多方案中算法实现最快的。但是由于ASIC的专用性，这使得它有以下缺点：开发周期长。设计从前端设计、验证到后端设计、最后成品，这需要一个较长的时间；成本昂贵。设计的前端需要用FPGA进行原型验证，后端设计需要流片，而流片的价格则是相当昂贵；缺乏设计灵活性。由于ASIC是为特定用户而设计的，当芯片投产后发现内部有硬件错误时，投产方只能回收产品，并重复设计的流程以求排除错误。由于ASIC这几个缺点存在，严重制约了它的发展，在实际应用当中容易产生瓶颈。这也限制了它在图像处理系统当中的应用与发展。

(3)数字信号处理器(DSP)

数字信号处理器是一种针对于实时数字信号处理操作的特殊形式的微处理器，如数字滤波器和傅立叶变换(FFT)。DSP具有运行时可被存取的快速硬件乘法单元。这允许使用硬件对数据执行乘法操作，而这一点在缺少硬件乘法器的通用处理器上实现是不可能的(通用处理器通过在软件上使用移位操作和循环加法操作来执行乘法运算，导致执行速度变慢)。由于数字信号处理器是专门为信号处理而设计的，所以它在这方面的处理能力特别高，甚至比最快的CPU还快上十倍。之所以有这样高的速度是因为DSP内部采用专用硬件实现一些数字信号处理常用的运算。但是由于DSP只是对某些特定的运算提供硬件优化，本质上指令还是串行执行的，在处理速度上仍不能够满足众多算法的需要，而同时采用多片DSP将带来系统分割和调试的困难，增加系统的不稳定性及生产成本。

(3)现场可编程门阵列(FPGA)

现场可编程门阵列(FPGA)也称为可编程ASIC。它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA一般采用SRAM工艺，其集成度很高，从几万门到数千万门。FPGA的基本组成部分由可编程输入/输出单元，基本可编程逻辑单元，嵌入式块RAM，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元，内嵌专用硬核等等。对比ASIC，现场可编程门阵列灵活性和通用性高很多。用户可以在现场对其进行逻辑功能修改。此外FPGA在设计上能实现并行处理，因此它对于采用串行指令执行的DSP来说，具有灵活性。而且在图像处理的速度上，由于FPGA是并行处理，它完成同样一个算法所花的时间比DSP少。此外，FPGA的通用性较强，相对与ASIC来说开发周期短、成本低，且易于维护和扩展，适合实时信号处理。现今，随着电子技术的日新月异，芯片制造工艺和内部集成度的提高，出现了数百万门的高性能FPGA，内嵌了微处理器核、高速I/O等。FPGA凭借它的这些新的优势，被越来越多的图像处理系统所采用。